宇宙外面到底有什麼？比宇宙還大的最古老星系，看完懷疑人生系列！ #神秘档案

大家好 我是小K 今天我們聊點大的 比宇宙還大一點 2016年 哈勃太空望遠鏡捕捉到了一束微弱的光 它來自可觀測宇宙最深處 最遙遠的古老星系GNZ11 這束不尋常的光 在宇宙大爆炸之後的四億年就已形成 經過了漫長的134億年歲月 到達了地球 這個目前人類發現的最古老的星系 距離地球320億光年 可是我們知道宇宙大爆炸至今 只有138億年 根據愛因斯坦相對論的描述 光速又是恆定不變的 那麼GNZ11到地球的距離 應該是134億光年才對 這兩個數據之間 看上去有著巨大的矛盾 這是什麼原因呢 我們一會兒會講到 在此之前 請確保訂閱關注了我的頻道 這樣就不會錯過更多的精彩視頻 GNZ11星系的發現 讓我們又產生了 另外一個有趣的問題 它會是宇宙的邊緣嗎 如果不是 宇宙的邊緣在哪裡 宇宙的外面又有些什麼呢 首先可以肯定的是 這個命題的答案並不唯一 這取決於人們 對宇宙邊緣概念的理解 光在真空中的傳播速度 大約為30萬公里每秒 這個被認為是物理學極限的速度 在宇宙尺度的旅行中 卻顯得力不從心 即便是我們每天早上看到的 第一粒陽光 也是從太陽上 經過了8分多鐘纔到達地球 而太陽之外 距離地球最近的一顆恆星 是射手座的比林星 距離地球39.9兆公里 乘坐光速飛船 也要走上4.2年 所以說人類到底能看到多遠 取決於兩個關鍵的因素 光速和宇宙的年齡 宇宙一詞連在一起 使用最早出自莊子 旁日月攜宇宙為其吻合 在這裡 宇代指一切的空間 宙代指一切的時間 這已經非常接近 現代物理學 對於宇宙標準時空的定義了 物理學定義的宇宙 除了包含空間和時間 以及其內涵 還包括影響物質和能量的 物理定律 如守恆定律 經典力學相對論等等 換句話說 目前的宇宙模型 是建立在物理學定律之上 宇宙中 除了我們熟知的可見光外 還充斥著一種電磁輻射 叫做宇宙微波背景 這種電磁輻射 充滿了整個宇宙 它們來源於早期宇宙大爆炸 遺留下來的熱輻射 進而形成了 我們宇宙中最古老的光 任何建立的宇宙模型 都必須解釋這種輻射 因此宇宙微波背景 是精確測量宇宙學的關鍵 而目前最能很好解釋 宇宙微波背景的理論 就是宇宙大爆炸模型 138億年前 體積無限小 密度無限大 溫度無限高 時空矩律無限大的起點 從時間零點到時的-43次方秒 也就是一個普朗克時間之後 宇宙開始膨脹 成為現在的形態 在普朗克時期 與暴漲時期之後 宇宙在10秒內 經歷了夸克 強子與青子時期 大爆炸30萬年後 化學結合作用 使中性原子形成 此時宇宙的主要成分為氣態物質 並逐步在自引力的作用下 凝聚成密度較高的氣體雲塊 經過了漫長的歲月 逐漸冷卻之後 直至恆星和恆星系統的形成等等 這些恆星 星系 所有的原子以及生命 統稱為原有物質 原有物質 只佔宇宙中 全部成分的4.9% 按照目前的宇宙尺度計算 原有物質的密度 為4.5乘以10的-43次方公克每立方米 這是一個非常低的密度數值 相當於每4立方米的空間內 只含有一個質子 除了原有物質 宇宙中還有0.005%到0.01%的 電磁波與反物質 而宇宙中絕大部分的組成 則是暗物質與暗能量 暗物質是一種 目前尚未被偵測的神祕物質形態 佔宇宙全部成分的26.8% 而暗能量是真空中的能量 在全部宇宙成分中 佔68.3% 科學家認為 星系中的天體 之所以不會因高速旋轉 被甩到宇宙空間中 散落的到處都是 正是因為被大量的暗物質所包圍 而宇宙的加速膨脹 則被認為是暗能量在起作用 我們回到開始的問題 既然古老的GNZ11星系 是在134億年前誕生的 那320億光年的距離 又是怎麼回事呢 目前的宇宙 是處在加速的膨脹時期 GNZ11的光子 雖然只飛了134億年 但是這些光子 在膨脹的空間中 被延展後波長增加 頻率降低 產生了我們所說的宇宙學紅移 如果宇宙是收縮 而不是膨脹 我們將會觀測到星系 以相同比例的藍移 而取代紅移 科學家們發現 遙遠星系光線的紅移 與它們的距離成正比 這就是我們所說的哈勃定律 科學家們正是根據古老星系 GNZ11的光譜紅移值 計算出了其320億光年的距離 換句話說 GNZ11在發光的時候 距離我們地球134億光年 但是我們觀測到 這束光的時候 它已經在320億光年之外 同樣的 科學家根據測定宇宙微波輻射光子的 紅移量 測出的可觀測宇宙半徑 大約為465億光年 可觀測宇宙並沒有真正的中心 我們所觀測的宇宙 是以地球為中心的 而如果你站在百億光年之外 進行觀測 所看到的宇宙和地球上看到的 其實是一樣的 這是因為哈勃定律 揭示出的宇宙膨脹 是一種全空間的均勻膨脹 什麼意思呢 就是說 我們從任何一個星系來看 一切星系都是以它為中心 向四面散開 越遠的星系間 彼此散開的速度越大 那麼距離地球越遠的星系 遠離我們的速度就會越快 根據宇宙學紅衣計算 宇宙膨脹的速度 目前已經達到了2.3倍光速 有人一定會說 光速不是速度的極限嗎 這是不是和愛因斯坦的相對論 所矛盾呢 其實愛因斯坦 並沒有僅止超越光速 這是對相對論理解的一個誤區 狹義相對論說的光速不能超越 指的是在同一參考系中 那關於光速的問題 我會專門做一期視頻 和大家詳細的聊 而正是在光速不變的限制下 距離我們465億光年之外的一切信息 再也不能通過光到達我們這裡 就像是一道時空屏障 把我們囚禁在人類可觀測宇宙 這個巨大的天球當中 即使人們無法和460億光年以外的 區域互動 但仍然會假定這些區域存在 並且是現實的一部分 所以對於可觀測宇宙來說 宇宙的外面還是宇宙 由於人類出現的時間太短 沒有機會觀測到宇宙的邊界 因此對於可觀測宇宙之外的宇宙 究竟有多大 目前沒有定論 那麼可觀測宇宙外面的宇宙外面 又有些什麼呢 愛因斯坦認為 宇宙是沒有邊界的 也是無限的 可觀測宇宙之外 只有無邊無際的恆星和行星 等各種天體 其構成的形式與物理定律 與可觀測宇宙相同 而霍金則認為 宇宙雖然沒有邊界 但宇宙的大小是有限的 聽起來雖然有點矛盾 但其實也不難理解 想要理解三維宇宙 無邊無界 缺有有限這個概念 我們可以先降維到二維世界去看一下 我們把宇宙想像成一個 不斷增大的氣球表面 在這個氣球表面上 無論你向任何的方向 無止境的走下去 永遠也不會走到盡頭 但是氣球的表面也是存在上限的 所以二維氣球表面是大小有限 卻沒有邊界的 那麼三維的宇宙也是一樣 表面上看宇宙中 從一點到另一點是直線 但大尺度的範圍來看 其實空間也是彎曲的 如果你拿著一支激光筆 直射向遠方 光線不會射到宇宙盡頭的牆壁上 而最終會繞了一個大圈 照到你的後腦勺 但是這個過程 需要一個非常龐大的時間尺度 所以說沒有邊界 並不代表它是無限大 在2008年 天文學家發現了一些非常奇怪 並且讓他們意想不到的現象 耶和系中的星團 以極快的速度向同一方向流動 其速度超過了每小時200萬英里 在2010年新的觀察結果 更加證實了這種現象 並被人們稱為宇宙暗流 宇宙暗流的運動 違背了大爆炸後 宇宙中質量分佈的所有預測 據此科學家推測出一個可能的原因是 在可觀測宇宙之外 存在著一種巨大的結構 該結構的引力 對星團造成了一定的影響 從而形成了暗流 這就意味著 我們視野之外的無限宇宙結構 是不均勻的 那麼這個結構是什麼呢 我們可能從來沒有見過 更加無法去想像 它可能是超大尺度的任何物質 或者能量 從其他的宇宙露出 導致了可觀測宇宙的奇異扭曲 也有科學家認為 宇宙是有外面的 但是這個外面 和我們平時理解的外面不一樣 它是指三維空間 與更高維度宇宙之間的關係 而連接不同維度之間的橋樑 就是蟲洞 在三維空間裡 蟲洞是一個四維的時空橋 橋洞是三維的球 走進去再出來 就到了另一個空間 這就是為什麼電影《星際穿越》裡 男主的飛船衝進了蟲洞 看著是一個好看的球 就如同進入了隧道 而出來之後 發現到了另外一個星系 還有另外一種可能 就是高維宇宙就存在我們周圍 甚至和我們重疊存在 愛因斯坦對此 還提出了四維扁蟲理論 所謂的四維扁蟲理論 是指人類由於天生存在缺陷 永遠無法感知和觀測高維空間 進而無法認識宇宙的全貌 愛因斯坦認為 人類看到的宇宙是三維的 但真正的宇宙 其實存在著更多的維度 所以理論上來說 更高維度的宇宙 就是宇宙的外面 最流行的一種理論認為 宇宙的外面是平行宇宙 平行宇宙的概念 並不是因為時間旅行悖論提出來的 而是來自量子力學 在20世紀50年代 有的物理學家 在觀察量子的時候 發現每次觀察的量子狀態 都不相同 而由於宇宙空間的所有物質 都是由量子組成 所以這些科學家推測 既然每個量子 都有著不同的狀態 那麼宇宙也有可能 並不只是一個 而是由多個類似的宇宙所組成 這些宇宙是由其他宇宙 不斷分裂所產生的 從理論上來講 你和另外一個宇宙中的你 可能相隔只有 一百萬億分之一毫米的距離 但是你想進入到另一個宇宙 是不可能的 平行宇宙和我們所在的宇宙 幾乎沒有任何聯繫 這是因為宇宙之間的交叉點 並不是兼容的 我們沒有辦法去感知 平行宇宙中的人和事物 沒有辦法去追蹤 平行宇宙中的事件 只有在某個極其特殊的點上 會瞬間出現一種罕見的 兼容交叉的現象 比如研究人員認為 即視感現象 可能就是平行宇宙中的情景 映射到了 我們現在所處的宇宙空間裡面 所留下的痕跡 而關於平行宇宙的更多有趣信息 以及如何策略到平行宇宙的方法 可以在這一期進行瞭解 其實單純從我們三維空間的角度 並沒有所謂的宇宙之外 換句話說 討論宇宙外面是什麼 對於我們三維空間的生物來說 是沒有任何意義的 這就相當於我們也不會去討論 時間零點之前是什麼 因為在目前的物理學框架中 這些問題既不能被證實 也不能被證為 那麼對於宇宙外面到底是什麼 這個有趣的問題 您有什麼看法 歡迎留言分享你的觀點 如果你喜歡我的節目 請關注訂閱點贊 評論彈幕轉發 我是小K 下期再見